Met behulp van een supercomputer die quadriljoen berekeningen per seconde kan uitvoeren, hebben wetenschappers een van de meest gedetailleerde virtuele hersenen ooit gemaakt.
In een aankondiging van het Allen Institute, gepresenteerd op SC25, beschrijven onderzoekers een biologisch realistische simulatie van de gehele cortex van een muis, gebouwd met behulp van de Japanse supercomputer Fugaku, naast gegevens van de Allen Cell Type Database en de Allen Connectivity Atlas. Een internationaal team, geleid door wetenschappers van het Allen Institute en de Universiteit voor Elektrotechniek, heeft een model opgebouwd met bijna tien miljoen neuronen en zesentwintig miljard synapsen, dat de structuur en het elektrische gedrag van 86 onderling verbonden hersengebieden vastlegt.
Deze simulatie, aangeduid als een hulpmiddel voor virtuele experimenten, biedt de mogelijkheid om biologische vragen te stellen in een levend model dat alleen in siliconen bestaat. In plaats van dunne weefselselletjes één voor één te onderzoeken, kunnen onderzoekers nu golven van activiteit in de hersenschors observeren, testen hoe aanvallen zich ontwikkelen of schade gerelateerd aan Alzheimer simuleren terwijl deze zich van de ene schakeling naar de andere verspreiden. Dit biedt een nieuwe manier van werken binnen de neurowetenschap op grote schaal en met snelheid, zonder te wachten tot elk nieuw in vivo-experiment zijn pad heeft voltooid.
De Schaal van de Simulatie
Het hart van deze prestatie is Fugaku, een nationale vlaggenschip in de wereld van supercomputers, ontworpen door RIKEN en Fujitsu. Het is opgebouwd uit 158.976 onderling verbonden knooppunten, geplaatst in modules, rekken en stellingen die samen honderden quadriljoen operaties per seconde uitvoeren. Deze infrastructuur stelt het team in staat om enorme biologische datasets om te zetten in een functionerende cortex met behulp van het Brain Modeling Toolkit van het Allen Institute en een nieuwe neuronensimulator, genaamd Neulite.
Het resultaat is geen animatie, maar een functionerende digitale cortex die zich activeert, dempt en reorganiseert zoals een biologische cortex. “Fugaku wordt gebruikt voor onderzoek op een breed scala aan gebieden binnen de computerwetenschappen, zoals astronomie, meteorologie en geneesmiddelenontdekking, en draagt bij aan de oplossing van veel maatschappelijke problemen,” verklaart mede-auteur van het onderzoek Tadashi Yamazaki. “In dit geval hebben we Fugaku gebruikt voor de simulatie van een neuronale schakeling.”
Deze simulatie omvat structurele kenmerken zoals het vertakken van dendrieten en elektrische details zoals ionenstromen en fluctuaties van het membraanpotentiaal in verschillende afdelingen. Onderzoekers beschrijven het observeren van spontane corticale activiteit die zich ontwikkelt in een toestand van rust, alsof ze direct in een levend brein kijken. Met dit niveau van detail kunnen zelfs kleine verstoringen, zoals een kleine verandering in synaptische sterkte, zich door netwerken verspreiden en implicaties geven over hoe stoornissen zich veel eerder ontwikkelen dan symptomen verschijnen.
Een Nieuwe Manier om Biologische Vragen te Stellen
Het model vertegenwoordigt zowel een technische mijlpaal als een onderzoeksplatform. Het stelt teams in staat om hypothesen te testen die voorheen invasieve registraties of genetisch gemodificeerde dierlijn vereisten. Het biedt ook de mogelijkheid om therapeutische strategieën te oefenen en de eigenschappen van schakelingen aan te passen om te zien of een bepaalde interventie de ongecontroleerde activiteit kan stabiliseren of de gebalanceerde communicatie tussen gebieden kan herstellen.
“Dit geeft aan dat de deur open is. We kunnen soortgelijke hersensimulaties effectief uitvoeren met voldoende rekencapaciteit,” merkt Anton Arkhipov op. “Dit is een technische mijlpaal die ons het vertrouwen geeft dat veel grotere modellen niet alleen mogelijk zijn, maar ook haalbaar met precisie en schaal.”
Het team beschouwt dit als een vroege maar beslissende stap naar volledige hersensimulaties en uiteindelijk modellen op menselijke schaal. Deze ambitie vereist nog meer gegevens, nauwkeuriger biophysische metingen en supercomputers van de volgende generatie. Niettemin is het principe al aangetoond. Realistisch modelleren van de gehele hersenen is niet langer theoretisch; het werkt op een machine in Japan, neuron voor neuron en synaps voor synaps, door een digitale cortex op te bouwen die zich gedraagt zoals het echte brein en een nieuw hoofdstuk opent in de manier waarop we de geest onderzoeken.
Dit baanbrekende onderzoek is mogelijk gemaakt door een internationaal team onder leiding van het Allen Institute – een onafhankelijke, non-profit onderzoeksorganisatie opgericht door de filantroop en visionair, de overleden Paul G. Allen. Het Allen Institute is toegewijd aan het beantwoorden van enkele van de grootste vragen in de biologische wetenschappen en het versnellen van wereldwijde onderzoeksinspanningen. Het Instituut is erkend als een leider in grootschalig onderzoek met een betrokkenheid bij een open wetenschap model.
